Kolossale Kollisionen im Zusammenhang mit der Wissenschaft des Sonnensystems

Eine neue Studie zeigt eine tiefe Verbindung zwischen einigen der größten und energiereichsten Ereignisse im Universum und viel kleineren, schwächeren Ereignissen, die von unserer eigenen Sonne angetrieben werden.

Die Ergebnisse stammen aus einer langen Beobachtung mit dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA von Abell 2146, einem Paar kollidierender Galaxienhaufen, die sich etwa 2,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befinden. Die neue Studie wurde von Helen Russell von der School of Physics and Astronomy der University of Nottingham geleitet.

Galaxienhaufen enthalten Hunderte von Galaxien und riesige Mengen an heißem Gas und dunkler Materie und gehören zu den größten Strukturen im Universum. Kollisionen zwischen Galaxienhaufen setzen enorme Energiemengen frei, wie man sie seit dem Urknall nicht mehr erlebt hat, und stellen Wissenschaftlern Physiklabors zur Verfügung, die hier auf der Erde nicht verfügbar sind.

Im zusammengesetzten Bild oben von Abell 2146 zeigen Chandra-Röntgendaten (lila) heißes Gas und optische Daten des Subaru-Teleskops zeigen Galaxien (rot und weiß). Eine Traube (mit Nr. 2 gekennzeichnet) bewegt sich nach unten links in die gezeigte Richtung und pflügt durch die andere Traube (Nr. 1). Das heiße Gas im ersteren stößt eine Schockwelle aus, ähnlich einem Überschallknall, der von einem Überschallstrahl erzeugt wird, wenn es mit dem heißen Gas im anderen Cluster kollidiert.

Die Schockwelle ist etwa 1,6 Millionen Lichtjahre lang und am besten in einer Version des Röntgenbildes zu sehen, das bearbeitet wurde, um scharfe Merkmale hervorzuheben. Ebenfalls gekennzeichnet sind der zentrale Kern aus heißem Gas in Cluster Nr. 2 und der Gasschweif, den er zurückgelassen hat. Hinter der Kollision ist eine zweite Schockwelle ähnlicher Größe zu sehen. Merkmale wie diese, die als „stromaufwärtiger Schock“ bezeichnet werden, ergeben sich aus dem komplexen Zusammenspiel von abgestreiftem Gas aus dem einfallenden Cluster und dem umgebenden Clustergas. Die hellste und massereichste Galaxie in jedem Cluster ist ebenfalls gekennzeichnet.

Stoßwellen, wie sie von einem Überschallstrahl erzeugt werden, sind Kollisionsstöße, die direkte Kollisionen zwischen Partikeln beinhalten. In der Erdatmosphäre nahe dem Meeresspiegel legen Gaspartikel normalerweise nur etwa 4 Millionstel Zoll zurück, bevor sie mit einem anderen Partikel kollidieren.

Umgekehrt kommt es in Galaxienhaufen und im Sonnenwind – Teilchenströmen, die von der Sonne weggeblasen werden – zu selten zu direkten Kollisionen zwischen Teilchen, um Stoßwellen zu erzeugen, weil das Gas so diffus ist und eine unglaublich geringe Dichte aufweist. Beispielsweise müssen Teilchen in Galaxienhaufen normalerweise etwa 30.000 bis 50.000 Lichtjahre zurücklegen, bevor sie kollidieren. Stattdessen sind die Erschütterungen in diesen kosmischen Umgebungen „kollisionsfrei“, erzeugt durch Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen und Magnetfeldern

Chandra beobachtete Abell 2146 insgesamt etwa 23 Tage lang und lieferte das bisher tiefste Röntgenbild von Schockfronten in einem Galaxienhaufen. Die beiden Schockfronten in Abell 2146 gehören zu den hellsten und klarsten Schockfronten, die unter Galaxienhaufen bekannt sind.

Helen kommentierte: „Ich habe diese Schockfronten zum ersten Mal in einer früheren, kurzen Chandra-Beobachtung entdeckt, als ich Doktorandin war. Es war eine aufregende Entdeckung und eine fantastische Reise zu dieser tiefen, alten Beobachtung, die die detaillierte Schockstruktur enthüllt.“

Anhand dieser aussagekräftigen Daten untersuchten Russell und ihr Team die Gastemperatur hinter den Schockwellen in Abell 2146. Sie zeigten, dass Elektronen hauptsächlich durch die Kompression von Gas durch den Schock erhitzt wurden, ein Effekt, der dem des Sonnenwinds ähnelt. Der Rest der Erwärmung erfolgte durch Kollisionen zwischen Partikeln. Da das Gas so diffus ist, erfolgte diese zusätzliche Erwärmung langsam, über etwa 200 Millionen Jahre.

Chandra macht so scharfe Bilder, dass es tatsächlich messen kann, wie stark zufällige Gasbewegungen die Schockfront verwischen, von der theoretisch erwartet wird, dass sie viel schmaler ist. Für diesen Cluster messen sie zufällige Gasbewegungen von etwa 650.000 Meilen pro Stunde.

Kollisionslose Stoßwellen sind in mehreren anderen Forschungsgebieten wichtig. Beispielsweise kann die durch Stöße im Sonnenwind erzeugte Strahlung den Betrieb von Raumfahrzeugen sowie die Sicherheit von Menschen im Weltraum negativ beeinflussen.

Ein Papier, das diese Ergebnisse beschreibt, wurde von angenommen Die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society.